DE2429953B2

DE2429953B2 - Schaltungsanordnung zur Verarbeitung physiologischer Meßsignale

Info

Publication number: DE2429953B2
Application number: DE2429953A
Authority: DE
Inventors: Thomas Vaellingby Ohlsson (Schweden)
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1980-03-27
Also published as: US4023565A; GB1515351A; FR2275183A1; JPS6017531B2; DE2429953C3; NL181970B; JPS5176880A; DE2429953A1; IT1038814B; SE7506864L; SE399817B; NL181970C; NL7506223A; FR2275183B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verarbeitung physiologischer Meßsignale, die mittels Elektroden von einem Patienten abgegriffen sind, bei der eine Anzahl von Eingangsverstärkern mit je einem Plus- und einem Minuseingang vorhanden ist, die mit ihrem einen Eingang an je einer Abnahmeelektrode und mit ihrem anderen Eingang an einem gemeinsamen Potentialpunkt angeschlossen sind, derart, daß Gleichtaktsignale an den Eingängen nicht verstärkt werden, wobei an den Ausgängen von jeweils mindestens zwei Eingangsverstärkern die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal die Wiedergabeeinrichtung steuert.

Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist in der Zeitschrift »Philips Technische Rundschau« 1959/60, Nr. 2, ?uf den Seiten 51 bis 65 anhand eines Elektrokardiographen beschrieben. Bei dem bekannten Elektrokardiographen werden alle vom Patienten abgegriffenen Spannungen gegen die an einer Bezugselektrode abgegriffene Spannung gemessen. Dadurch ist erreicht, daß Störsignale (Brumm), die bewirken, daß das Potential des gesamten Körpers von Null abweicht, weitgehend eliminiert werden. Die Ausschaltung dieser Störsignale erfolgt deshalb, weil die Eingangsverstärker als Differenzverstrker ausgebildet sind, die die Differenz zwischen ihrem jeweiligen Eingangssignal und dem Bezugssignal verstärken und der Brumm als Gleichtaktsignal dem Eingangssignal überlagert ist.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung wirken sich Toleranzen in den Bauelementen des Eingangskreises innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen nicht ungünstig auf die Gleichtaktunterdrückung aus, weil die Gleichtaktsignale durch die Eingangsverstärker nicht verstärkt werden, während die Differenzsignale zwischen zwei Elektroden an den Ausgängen der Eingangsverstärker verstärkt erscheinen. Toleranzen der Differenzverstärker wirken sich nur am den Verstärkungsfaktor verringert auf die Gleichtaktunterdrückung aus.

Für jede Elektrode ist bei der bekannten Schaltungsanordnung ein kompliziert aufgebauter Vorverstärker mit einer großen Zahl von Elektronenröhren vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Eingangskreis durch Anwendung einer möglichst geringen Anzahl von Operationsverstärkern wesentlich einfacher als beim Stand der Technik aufgebaut ist und bei der auch dann, wenn eine oder mehrere vorbestimmte Abnahmeelektroden nicht angeschlossen sind, eine einwandfreie Gleichtaktunterdrückung gewährleistet ist

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Plus-Eingängen der als Operationsverstärker ausgebildeten Eingangsverstärker die Abnahmeelektroden für die Signale unmittelbar angeschlossen sind, daß zwischen den Minus-Eingängen und den

jo Ausgängen der Operationsverstärker Rückführungswiderstände liegen, daß die Minus-Eingänge über Widerstände mit dem gemeinsamen Potentialpunkt massefrei verbunden sind, und daß zwischen einer Abnahmeelektrode und dem gemeinsamen Potentialpunkt ein Impedanzwandler mit einer Spannungsverstärkung von 1. einem hohen Eingangswiderstand ein einem niedrigen Ausgangswiderstand liegt. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist für jede Elektrode nur ein einziger handelsüblicher Operationsverstärker vorhanden, der durch zwei zusätzliche Widerstände beschaltet ist. Der Aufbau eines Eingangsverstärkers ist daher gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht. Die Erfindung erschöpft sich nicht in dem Ersatz der beim Stand der Technik

Vi vorgesehenen Elektronenröhren-Schaltung durch eine Operationsverstärker-Schaltung, soorzrn stellt eine besonders zweckmäßige Beschallung aller Operationsverstärker zur Erzielung der bekannten Wirkung der Nichtverstärkung der Gleichtaktsignale dar, bei der

,ο man pro Eingangskanal mit einem einzigen Operationsverstärker auskommt. Toleranzen der für jeden Operationsverstärker vorgesehenen beiden Widerstände und der Verstärkung dieser Operationsverstärker wirken sich nicht auf das Maß der Gleichtaktunterdrük-

is kung aus. Die Unterdrückung erfolgt in bekannter Weise durch die den Eingangsverstärkern nachgeschalteten Differenzverstärker. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird das Störsignal eines Eingangskanals sämtlichen Eingangsverstärkern als Störsigr.al aufgedrückt, so daß die die Störsignale verkörpernden Ausgangssignale der Eingangsverstärker alle gleich sind und bei der Differenzbildung in den nachgeschalteten Differenzverstärkern eliminiert werden. Wesentlich ist bei der Benutzung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, daß diejenige Abnahmeelektrode, die am gemeinsamen Potentialpunkt über den Impedanzwandler angeschlossen ist, am Patientenkörper angelegt ist.

Weitere Vorteile und Eunzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Das Aiisführungsbeispiel dient zur Erfassung eines EKG. Es sind drei Operationsverstärker 1 bis 3 s vorhanden, an deren Pluseingängen drei Abnahmeelektroden R, L und Fangeschlossen sind. Die gestrichelte Linie deutet an, daß noch weitere Elektroden vorhanden sind, denen je ein weiterer Operationsverstärker zugeordnet ist Die Minuseingänge der Operationsver- ι ο stärker 1 bis 3 sind über Widerstände R1 mit deren Ausgängen und über Widerstände R 2 mit einem gemeinsamen Potentialpunkt 5 verbunden. Die Operationsverstärker besitzen eine hohe Verstärkung im nicht rückgekoppelten Zustand sowie eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz. Es ergibt sich, daß die Gleichtaktsignale (Störsignale) an den Eingängen.der Operationsverstärker 1 bis 3 unverändert an deren Ausgängen wieder erscheinen, während das Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen zweier Operationsverstärker gegenüöer dem Differenzsignal zwischen den entsprechenden Eingangssignal

R I

um den Faktor 1 +~ verstärkt ist

Die Ausgänge der Operationsverstärker 1 bis 3 sind mit Differenzverstärkern 6 bis 8 über einen Programmwähier 9 nach einem vorbestimmten Programm verbunden. Der Differenzverstärker 6 bildet z. B. die Differenz aus den Ausgangssignalen der Operationsverstärker 1 und Z Bei der Differenzbildung werden die Störsignale eliminiert, während die Differenzsignale zwischen den Eingangssignalen, z. B. zwischen den

R I

Signalen R und L, um den Faktor 1 -t- —r verstärkt

erfaßt werden. Die Differenzverstärker 6 bis 8 steuern EKG-Wiedergabeeinrichtungen 10 bis 12, z. B. Schreiber.

Der gemeinsame Potentialpunkt 5 liegt am Ausgang eines Spannungsfolgers 13, dessen Pluseingang mit dem von der Elektrode R abgefriffenen Potential verbunden ist. Der Spannungsfolger 13 hat eine Spannungsverstärkung von 1:1, eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine hohe Eingangsimpedanz. Er bewirkt, daß auch dann, wenn eine der Elektroden L und F nicht am Patienten angeschlossen ist, die gleiche Gleichtaktspannung an den Ausgängen aller Operationsverstärker auftritt Bei der Differenzbildung in den Differenzverstärkern 6 und 7 wird das Stersignal Λίπη eliminiert Die Schaltungsanordnung ^emäß der Zeichnung ermö^icht es also, ein EKG auch dann aufzunehmen, wenn nicht alle Abnahmeelektroden am Patienten angeschlossen sind, wobei auch in diesem Fall die Störsignale unterdrückt werden.

Für die Ausgangsspannungen gilt folgendes bei Rl

Rl

= 30:

LMl = (UEl - (/El)-30 + UEl = UEX

UAl = (UEl - UEl)- 30 + UEl = 31 UEl -

UAi = (UE3 - UEi) ■ 30 + UEi = 31 (/E3 - 20UF.I .

Es gilt beispielsweise für das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 6 folgendes:

U6 = 31 (/£2-31 UEi = 31 · (UE2-UEI).

FürdasAurjangssignal t/7 gilt z. B.:
i/7 = 31 (UE3-UEi).

Hinsichtlich des Brumms gilt, daß UEi — UE2 = UE3 ist, denn die Brummspannung an allen drei Eingängen ist gleich groß. Setzt man für die Brummspannung U, so gilt für die B-; jmmspannung:

UA 1 = UA 2 = UA 3 = (U- U)- 30+U= U.

Während die Brummspannung in den Eingangskreisen nicht verstärkt und durch die Differenzverstärker eliminiert wird, sind die Differenzsignale um den Faktor 31 verstärkt. Toleranzen in den Verstärkungen der Operationsverstärker 1 bis 3, sowie Toleranzen der Widerstäne Ri und R 2 wirken sich nicht auf die Unterdrückung der Störsignale aus.

Wesentlich für die Schaltungsanordnung ist, daß immer diejenige Elektrode, an der der Spannungsfolger 13 angeschlossen ist (R), am Patienten angelegt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist ganz allgemein zur Verarbeitung physiologischer Meßsigna-Ie, z. B. auch eines EEG, anwendbar.

Aus der obigen Ableitung der Ausgangsspannungen ergibt sich, daß die Ausgangsspannung UAi = UEi ist. Im Rahmen der Erfindung kann daher der Operationsverstärker 1 entfallen, wenn das Ausgangssignal des Spannungsfolgers 13 dem Programmwähler 9 und damit dem einen Eingang des Differenzverstärkers 6 direkt zugeführt ist. Wesentlich für diesen Fall >st also, daß das Potential des gemeinsamen Potentialpunkts 5 dem Eingang eines oder mehrerer Differenzverstärker — hei dem Beispiel den Differenzverstärkern 6 und 7 — unmittelbar zugeführt ist. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Operationsverstärker 1 aus Syrnrnetriegründen vorhanden. Abweichungen des Potentials am gemeinsa-

4) men Potentialpunkt 5 von UEi wirken sich also in diesem Fall kaum störend aus.

Zusammenfassend ergibt sich, daß wesentlich für die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß der Zeichnung ist, daß unabhängig davon, ob die Elektroden

ίο L und Farn Patienten angeschlossen sind oder nicht die Ausgänge aller Operationsverstärker 1 bis 3 die gleiche Störspannung im Verhältnis zur Bezugserde annehmen, wie der Eingang des Operationsverstärkers 1. der mit dom Spannungsfolger 13 gekoppelt ist, also wie dor

Yi Minuseingang des Operationsverstärkers 1. Bei der Bildung der Differenz zwischen zwei Ausgangsspannungen wird daher das Störsignal immer eliminiert.

Die obige Ableitung der Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 1 bis 3 ergibt sich daraus, daß ein

ho Operationsverstärker mit den zugehörigen Widerständen Ri und R 2 im Ersatzschaltbild durch einen Differenzverstärker mit nachgeschaltetern Addierglied dargestellt werden kann, das die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers zu der von der entsprechenden

h¹) Elektrode kommenden Eingangsspannung addiert.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Verarbeitung physiologischer Meßsignale, die mittels Elektroden von einem Patienten abgegriffen sind, bei der eine Anzahl von Eingangsverstärkern mit je einem Plus- und einem Minuseingang vorhanden ist, die mit ihrem einen Eingang an je einer Abnahmeelektrode und mit ihrem anderen Eingang an einem gemeinsamen Potentialpunkt angeschlossen sind, derart, daß Gleichtaktsignale an den Eingängen nicht verstärkt werden, wobei an den Ausgängen von jeweils mindestens zwei Eingangsverstärkern die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal die Wiedergabeeinrichtung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß an den Plus-Eingängen der als Operationsverstärker (1 bis 3) ausgebildeten Eingangsverstärker die Abnaii-neelektroden (R, L, F) für die Signale unmittelbar angeschlossen sind, daß zwischen den Minus-Eingängen und den Ausgängen der Operationsverstärker (1 bis 3) Rückführungswiderstäne (R 1) liegen, daß die Minus-Eingänge über Widerstände (R 2) mit dem gemeinsamen Potentialpunkt (8) massefrei verbunden sind, und daß zwischen einer Abnahmeelektrode (R) unci dem gemeinsamen Potentialpunkt (5) ein Impedanzwandler (13) liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahmeelektrofen EKG-Elektroden find.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential des gemeinsamen Potentiaipiinktes (5) dem Eingang eines oder mehrerer Differenz.erstärker unmittelbarzugeführt ist.